本申請(qǐng)涉及材料科學(xué)領(lǐng)域，特別是涉及一種面向多功能材料開發(fā)的描述符篩選方法、設(shè)備及介質(zhì)。

背景技術(shù)：

1、在實(shí)際工程應(yīng)用中，對(duì)材料的功能需求往往是多元的，涉及到光、電、熱和機(jī)械等性能，結(jié)構(gòu)與性能之間的緊密聯(lián)系導(dǎo)致各種性能之間存在深度耦合關(guān)聯(lián)。目前的材料設(shè)計(jì)研究，大多僅僅關(guān)注于單個(gè)具體性能的優(yōu)化，但在目標(biāo)性能參數(shù)提升的同時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致其它關(guān)鍵性能指標(biāo)意外下降。并且，現(xiàn)有的材料設(shè)計(jì)研究中，受機(jī)器學(xué)習(xí)“黑盒”模型局限，大多所建立的材料結(jié)構(gòu)與性能間的顯性關(guān)系難以被揭示。

2、比如針對(duì)多功能材料的開發(fā)，主流方法為借助多目標(biāo)優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)，包括但不限于多目標(biāo)遺傳算法和多目標(biāo)貝葉斯優(yōu)化等。但是，一方面，這些算法在每一輪優(yōu)化迭代中都需要對(duì)新推薦的結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)/計(jì)算的性能驗(yàn)證，這是一個(gè)昂貴且耗時(shí)的過程。另一方面，如遺傳算法，其優(yōu)化收斂性能受到初始樣本的影響較大；貝葉斯優(yōu)化算法性能主要依賴于核函數(shù)，典型的為高斯過程回歸，并且核函數(shù)的訓(xùn)練需要進(jìn)行繁瑣的超參數(shù)優(yōu)化。即，現(xiàn)有的材料設(shè)計(jì)受限于機(jī)器學(xué)習(xí)模型，且模型優(yōu)化迭代過程中需要反復(fù)進(jìn)行材料的性能試樣，具有耗時(shí)長、效率低和成本高等缺點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本申請(qǐng)的目的是提供一種面向多功能材料開發(fā)的描述符篩選方法、設(shè)備及介質(zhì)，可實(shí)現(xiàn)同時(shí)達(dá)到不同性能指標(biāo)要求的多功能材料的高效開發(fā)。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本申請(qǐng)?zhí)峁┝巳缦路桨福?/p>

3、第一方面，本申請(qǐng)?zhí)峁┝艘环N面向多功能材料開發(fā)的描述符篩選方法，包括：

4、獲取材料數(shù)據(jù)集合；所述材料數(shù)據(jù)集合包括目標(biāo)材料的結(jié)構(gòu)成分?jǐn)?shù)據(jù)及多種目標(biāo)性能指標(biāo)；所述目標(biāo)性能指標(biāo)用于反映所述目標(biāo)材料的光學(xué)性質(zhì)、電學(xué)性質(zhì)、熱性能及機(jī)械性能中的一種；

5、針對(duì)任一所述目標(biāo)性能指標(biāo)，基于所述目標(biāo)材料的結(jié)構(gòu)成分?jǐn)?shù)據(jù)創(chuàng)建多個(gè)物理描述符；所述物理描述符用于表征對(duì)應(yīng)的目標(biāo)材料的組分特征、原子特征、電子特征及拓?fù)涮卣餮苌奈锢碇笜?biāo)；

6、對(duì)所有所述目標(biāo)性能指標(biāo)對(duì)應(yīng)的多個(gè)物理描述符進(jìn)行降維優(yōu)化，以得到優(yōu)化描述符集合；

7、將所述優(yōu)化描述符集合分別輸入至多個(gè)目標(biāo)性能預(yù)測(cè)模型中，并采用shap算法對(duì)所述目標(biāo)性能預(yù)測(cè)模型進(jìn)行解釋，以得到多個(gè)優(yōu)化描述符排序系數(shù)集合；其中，一個(gè)所述目標(biāo)性能預(yù)測(cè)模型對(duì)應(yīng)一個(gè)所述目標(biāo)性能指標(biāo)、一個(gè)所述優(yōu)化描述符排序系數(shù)集合；所述目標(biāo)性能預(yù)測(cè)模型為預(yù)先訓(xùn)練完成的機(jī)器學(xué)習(xí)模型，用于根據(jù)優(yōu)化描述符預(yù)測(cè)目標(biāo)性能指標(biāo)的量值；

8、基于所述多個(gè)優(yōu)化描述符排序系數(shù)集合，對(duì)所述優(yōu)化描述符集合進(jìn)行特征敏感度差異分析并篩選得到多個(gè)重要描述符；所述重要描述符為所述目標(biāo)材料的多性能間解耦關(guān)鍵物理因子，用于作為評(píng)估材料是否具有多功能屬性的依據(jù)。

9、第二方面，本申請(qǐng)?zhí)峁┝艘环N計(jì)算機(jī)設(shè)備，包括：存儲(chǔ)器、處理器以及存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器上并可在處理器上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)程序，所述處理器執(zhí)行所述計(jì)算機(jī)程序以實(shí)現(xiàn)面向多功能材料開發(fā)的描述符篩選方法。

10、第三方面，本申請(qǐng)?zhí)峁┝艘环N計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，該計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)面向多功能材料開發(fā)的描述符篩選方法。

11、根據(jù)本申請(qǐng)?zhí)峁┑木唧w實(shí)施例，本申請(qǐng)公開了以下技術(shù)效果：本申請(qǐng)?zhí)峁┝艘环N面向多功能材料開發(fā)的描述符篩選方法、設(shè)備及介質(zhì)，可根據(jù)需要確定目標(biāo)材料的多種目標(biāo)性能指標(biāo)，從而構(gòu)建出反映目標(biāo)材料的光學(xué)性質(zhì)、電學(xué)性質(zhì)、熱性能及機(jī)械性能中的一種或多種的多性能需求，為后續(xù)步驟處理提供多性能基礎(chǔ)。然后，根據(jù)目標(biāo)材料的結(jié)構(gòu)成分?jǐn)?shù)據(jù)創(chuàng)建多個(gè)物理描述符，該物理描述符的設(shè)置使得每個(gè)描述符存在對(duì)應(yīng)的目標(biāo)材料的組分特征、原子特征、電子特征及拓?fù)涮卣餮苌奈锢碇笜?biāo)，后續(xù)對(duì)得到的多個(gè)理描述符進(jìn)行篩選，在篩選過程中用到了降維優(yōu)化處理、shap(shapleyadditive?explanation，機(jī)器學(xué)習(xí)模型解釋工具)算法，從而得到最終的多個(gè)重要描述符，其為目標(biāo)材料的多性能間解耦關(guān)鍵物理因子。需知，在上述重要描述符的篩選過程中，并未用到多目標(biāo)遺傳算法或貝葉斯優(yōu)化算法等，而僅需根據(jù)已經(jīng)公開數(shù)據(jù)構(gòu)建機(jī)器學(xué)習(xí)模型、進(jìn)行數(shù)值排序和比較即可，成本低、用時(shí)短、效率更高。另外，本申請(qǐng)所得到的重要描述符具有實(shí)際的物理含義，可作為評(píng)估材料是否具有多功能屬性的依據(jù)，而通過重要描述符的確定也使得材料結(jié)構(gòu)與性能間的顯式關(guān)系被揭示進(jìn)而可進(jìn)行應(yīng)用，因此在得到多個(gè)重要描述符后，還可基于同樣的目標(biāo)性能指標(biāo)的需求用于在僅有結(jié)構(gòu)信息的化學(xué)空間中篩選更多具有多功能屬性的先進(jìn)材料。也即，從多種目標(biāo)材料的設(shè)計(jì)過程來看，本申請(qǐng)方案也可進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)效率和降低設(shè)計(jì)成本。綜上，本申請(qǐng)確定材料不同性能間的解耦關(guān)鍵物理因子(結(jié)構(gòu)衍生物理描述符)，可實(shí)現(xiàn)同時(shí)達(dá)到不同性能指標(biāo)要求的多功能材料的高效開發(fā)的目的。

技術(shù)特征：

1.一種面向多功能材料開發(fā)的描述符篩選方法，其特征在于，所述面向多功能材料開發(fā)的描述符篩選方法包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向多功能材料開發(fā)的描述符篩選方法，其特征在于，將所述優(yōu)化描述符集合分別輸入至多個(gè)目標(biāo)性能預(yù)測(cè)模型中，并采用shap算法對(duì)所述目標(biāo)性能預(yù)測(cè)模型進(jìn)行解釋，以得到多個(gè)優(yōu)化描述符排序系數(shù)集合，包括：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的面向多功能材料開發(fā)的描述符篩選方法，其特征在于，每個(gè)優(yōu)化描述符對(duì)應(yīng)的shap值的計(jì)算公式為：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向多功能材料開發(fā)的描述符篩選方法，其特征在于，基于所述多個(gè)優(yōu)化描述符排序系數(shù)集合，對(duì)所述優(yōu)化描述符集合進(jìn)行特征敏感度差異分析并篩選得到多個(gè)重要描述符，包括：

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向多功能材料開發(fā)的描述符篩選方法，其特征在于，對(duì)所有所述目標(biāo)性能指標(biāo)對(duì)應(yīng)的多個(gè)物理描述符進(jìn)行降維優(yōu)化，以得到優(yōu)化描述符集合，包括：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的面向多功能材料開發(fā)的描述符篩選方法，其特征在于，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)系數(shù)篩選處理時(shí)，選用皮爾森相關(guān)系數(shù)以考慮了兩組變量間的線性關(guān)系，采用斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)以衡量?jī)山M變量間的單調(diào)性關(guān)系；其中，兩組變量中一組變量為物理描述符，用x表示；另一組變量為目標(biāo)性能指標(biāo)，用y表示；

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向多功能材料開發(fā)的描述符篩選方法，其特征在于，所述目標(biāo)材料的結(jié)構(gòu)成分?jǐn)?shù)據(jù)包括目標(biāo)材料的化學(xué)元素組分和化學(xué)式信息；

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向多功能材料開發(fā)的描述符篩選方法，其特征在于，所述面向多功能材料開發(fā)的描述符篩選方法還包括：

9.一種計(jì)算機(jī)設(shè)備，包括：存儲(chǔ)器、處理器以及存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器上并可在處理器上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)程序，其特征在于，所述處理器執(zhí)行所述計(jì)算機(jī)程序以實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)所述的面向多功能材料開發(fā)的描述符篩選方法。

10.一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，其特征在于，該計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)所述的面向多功能材料開發(fā)的描述符篩選方法。

技術(shù)總結(jié)
本申請(qǐng)公開了一種面向多功能材料開發(fā)的描述符篩選方法、設(shè)備及介質(zhì)，涉及材料科學(xué)領(lǐng)域，方法包括：針對(duì)材料數(shù)據(jù)集合中目標(biāo)材料的結(jié)構(gòu)組分信息創(chuàng)建多個(gè)物理描述符，并進(jìn)行降維優(yōu)化；然后將優(yōu)化描述符集合分別輸入至多個(gè)目標(biāo)性能預(yù)測(cè)模型中，并采用SHAP算法對(duì)模型進(jìn)行解釋以得到多個(gè)優(yōu)化描述符排序系數(shù)集合；目標(biāo)性能預(yù)測(cè)模型為預(yù)先訓(xùn)練完成的機(jī)器學(xué)習(xí)模型；基于多個(gè)優(yōu)化描述符排序系數(shù)集合，對(duì)優(yōu)化描述符集合進(jìn)行特征敏感度差異分析并篩選得到多個(gè)重要描述符，其為目標(biāo)材料的多性能間解耦關(guān)鍵物理因子。本申請(qǐng)可通過綜合評(píng)估材料對(duì)應(yīng)的不同關(guān)鍵物理因子的數(shù)值水平以用于指導(dǎo)同時(shí)達(dá)到多個(gè)目標(biāo)性能指標(biāo)要求的多功能材料的高效開發(fā)。

技術(shù)研發(fā)人員：黃翔,宋少博,趙培濤,呂宗澤,李嘉薇
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國礦業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/26